新能源汽車線束與連接器的開發(fā)

來源：線束世界?作者：線束世界?2024-05-21 09:31

住友電機工業(yè)有限公司開發(fā)并生產(chǎn)了用于電動傳動系統(tǒng)的高壓線束和連接器，這些產(chǎn)品已用于許多混合動力汽車(HEV)。在過去的25年里，混合動力汽車一直在積極發(fā)展，以防止CO2排放引起的全球變暖。不需要內(nèi)燃機的電動汽車(電動汽車)的發(fā)展也在加快。EV中使用的電動傳動系統(tǒng)主要由高壓電池、逆變器和電機組成。本文介紹了我們?yōu)榛旌蟿恿ζ囬_發(fā)的產(chǎn)品，也適用于電動汽車。這些產(chǎn)品包括用于高壓電池和逆變器之間的鋁線的管道屏蔽線束，以及將逆變器連接到電機的電源線和直接連接器。

01 介紹

在過去的二十年中，為了提高燃油效率和減少CO2排放，以防止全球變暖和化石燃料的枯竭，混合動力電動汽車(混合動力汽車)和電動汽車(ev)的發(fā)展得到了加速。特別是，混合動力汽車迅速普及，因為現(xiàn)有的加油站可以用來加油。各國近期公布的內(nèi)燃機汽車禁售政策如表1所示，CO2排放法規(guī)收緊。因此，電動汽車銷量呈現(xiàn)出如圖1所示的增長趨勢。目前，預(yù)計混合動力汽車與電動汽車的比例將繼續(xù)居高不下。然而，非內(nèi)燃機電動汽車的發(fā)展正在加速。因此，隨著電池和充電技術(shù)的發(fā)展，預(yù)計電動汽車在電動汽車銷售中的比例將會增加。

混合動力汽車或電動汽車的電動傳動系統(tǒng)主要由高壓電池和電動機組成。它們通過高壓線束連接在一起，以完成電力傳輸。住友電機工業(yè)有限公司已經(jīng)生產(chǎn)了近20年的高壓線束。此外，在電氣化的浪潮中，住友電機正在推動高壓線束的開發(fā)，以增加混合動力汽車的電機功率，減輕重量以提高燃油效率，并進一步應(yīng)用于電動汽車。

表1：內(nèi)燃機汽車禁售政策

在本文中，我們描述了為混合動力電動汽車（HEVs）開發(fā)且同樣適用于電動汽車（EVs）的以下部件的結(jié)構(gòu)和特性：電力電纜、直連連接器以及適用于鋁線的管道屏蔽線束。

圖1所示：內(nèi)燃機汽車與電動汽車銷售比例預(yù)測

02 電動傳動系統(tǒng)和高壓線束

混合動力汽車或電動汽車的電力傳動系統(tǒng)主要由高壓電池、逆變器和電動機組成。如圖2所示，它們通過高壓線束相互連接。連接高壓蓄電池和逆變器的高壓線束稱為地板下線束，其線長相對較長。連接逆變器和電機的高壓線束稱為電力電纜，其線長相對較短。這兩種高壓線束都需要屏蔽性能，以確保電磁噪聲不會影響周圍的電子設(shè)備。

噪聲不會影響周圍的電子設(shè)備和信號線。地板下線束布置在汽車地板下，因此保護電線免受外部損壞（如石擊）的保護器非常重要。保護器采用樹脂保護器和金屬管。

最近，由于變頻器和電機之間的距離越來越短，電源線的長度也有變短的趨勢。住友電工根據(jù)這一趨勢開發(fā)了兩種產(chǎn)品。一種是小型化、輕量化電力電纜。電力電纜的電線長度從約 100 厘米減少到約 10 厘米。另一種是直接連接器，用高壓連接器直接連接變頻器和電機。這兩種產(chǎn)品的使用取決于車輛的特性。

圖2所示：HEV和電動汽車的電動傳動系統(tǒng)

03 適用電動汽車的混合動力汽車專用產(chǎn)品

在本節(jié)中，我們將介紹已開發(fā)的HEV產(chǎn)品，這些產(chǎn)品也適用于電動汽車。

1.管道屏蔽線束和正負極 (PN) 連接器

如前所述，地板下線束的保護很重要。住友電工自2005年以來一直使用鋁管而不是樹脂保護器作為保護材料生產(chǎn)管屏蔽線束。(1)管屏蔽線束的特點之一是鋁管既起到保護作用，又起到屏蔽作用。此外，它具有良好的耐熱性和導(dǎo)熱性，并適應(yīng)利用三維彎曲工藝的管屏蔽線束的各種布局形狀等。

對于傳統(tǒng)的管屏蔽線束，通過管道插入的導(dǎo)線為銅線。然而，隨著混合動力汽車功率的增大，需要更大的電流，導(dǎo)致導(dǎo)線截面積的增大。因此，導(dǎo)線重量的增加成為了一個問題。從提高燃油效率的角度來看，需要減輕線材重量。為了解決這些問題，我們開發(fā)了一種鋁絲。用于管屏蔽線束的鋁線，既要有抗振動的柔韌性，又要有良好的導(dǎo)電性。我們使用滿足這兩個要求的新型鋁材料實現(xiàn)了減重(圖1 (a)， (b))。

圖1：管屏蔽線束和PN連接器

另一方面，這種管道屏蔽線束中的另一個開發(fā)產(chǎn)品是一種高壓連接器，稱為PN連接器，用于逆變器側(cè)（圖1(c)）。由于大電流通過，管道屏蔽線束使用了橫截面積大的粗電線。當車輛行駛時，安裝在車輛中的粗電線會隨著車輛的振動而振動。這種電線的振動通過粗電線作用于連接器，這一作用可能會導(dǎo)致連接器的電觸點磨損，進而可能導(dǎo)致端子發(fā)熱的結(jié)果。為了抑制這種振動，有必要將電線、連接器和逆變器彼此牢固固定。然而，這可能會導(dǎo)致連接器電觸點的磨損，因為由溫度變化引起的連接器組件的膨脹和收縮可能無法被吸收。

圖3顯示了考慮到這些因素而開發(fā)的PN連接器。如圖3所示，盡管PN連接器具有牢固固定的結(jié)構(gòu)，柔性導(dǎo)體吸收了由于熱膨脹和收縮導(dǎo)致的組件尺寸變化。這種結(jié)構(gòu)提高了PN連接器的可靠性。

圖3所示：PN連接器尺寸變化的吸收

由于該連接器采用了一鍵式組裝結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)的螺栓結(jié)構(gòu)，它在將管道屏蔽線束連接至逆變器時顯著提升了操作便利性。

2.電力電纜

如前所述，逆變器與電機之間的距離正在變得越來越短。本節(jié)描述了我們?yōu)閼?yīng)對這一趨勢而開發(fā)的電力電纜。

該開發(fā)目標車輛的電力電纜連接逆變器和兩個三相交流（AC）電機（一個用于驅(qū)動車輛，另一個用于發(fā)電）。電力電纜由每臺電機的三根粗電線組成（總共六根粗電線），兩端連接到逆變器和電機的高壓連接器，以及用于屏蔽電磁噪聲的屏蔽層。為了將這種電力電纜應(yīng)用于逆變器和電機之間的短距離部分，有必要減小其尺寸和重量。

在傳統(tǒng)的高壓連接器中，樹脂成型外殼被組裝到三根粗電線的兩端，并進行密封。傳統(tǒng)電力電纜使用了兩套這樣的裝置。為了減小這種電力電纜的尺寸，我們采用了六相一體成型技術(shù)（圖4），在該技術(shù)中，六根電線一次進行插入成型。因此，避免了使用橡膠密封，并且兩套電力電纜被整合為一體的結(jié)果，從而實現(xiàn)了小型化。

圖4所示：六相整體成型技術(shù)概念示意圖

在傳統(tǒng)電力電纜的屏蔽層中，電線由管狀編織屏蔽包裹。因此，由于屏蔽層的端子連接，電力電纜的尺寸減小受到了限制。這次，我們利用適用于短距離的優(yōu)勢，采用了布狀屏蔽材料。結(jié)果，我們實現(xiàn)了新型電力電纜的尺寸和重量減少（照片2）。

照片2：銅編織屏蔽

這些縮小尺寸和減輕重量的措施，使得開發(fā)出照片3中所示的電力電纜成為可能，該電纜可以安裝在狹窄且有限的空間內(nèi)。

照片3：電力電纜的外觀

3.直接連接器

在本節(jié)中，我們描述了一種直連連接器，它使用高壓連接器直接連接逆變器和電機。

隨著車輛布局的趨勢，將逆變器直接安裝在電機上方。為了提高汽車裝配廠的工作效率，一直需求一種技術(shù)，能夠在不使用電纜的情況下，在將逆變器安裝到電機上方的同時連接逆變器和電機。作為解決方案，我們開發(fā)了直連連接器，其中高壓連接器分別集成到逆變器和電機中（照片4）。

圖4所示：直連連接器外觀

為了在將逆變器安裝到電機上方的同時連接逆變器和電機，需要高精度的對齊。然而，在精細調(diào)整的同時安裝重型逆變器是困難的。因此，逆變器和電機的高壓連接器應(yīng)該能夠基于粗略對齊就相互配對。為了響應(yīng)這一要求，采用了兩步引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。第一步是當逆變器向電機移動時連接器配對的初始階段。我們在逆變器外殼上設(shè)置了定位引腳，調(diào)整了引腳的形狀，并設(shè)置了適當?shù)囊龑?dǎo)余量，從而在避免高壓連接器干擾的同時實現(xiàn)最佳定位(圖5)。

圖5所示：逆變器和電機安裝操作(第一步)

第二步是端子接合開始前的階段。在這一階段，端子接合需要進一步的高精度對齊。為了滿足這一要求，在電機側(cè)的高壓連接器上設(shè)置了引導(dǎo)部件。同時，逆變器側(cè)的高壓連接器采用了浮動結(jié)構(gòu)。這些措施使得自對齊成為可能。此外，在逆變器側(cè)的高壓連接器內(nèi)部應(yīng)用了柔性導(dǎo)體，以吸收由于自對齊導(dǎo)致的逆變器內(nèi)部的螺栓端子連接位置產(chǎn)生的間隙（圖6）。這些措施使得兩個高壓連接器能夠通過一次動作和一個螺栓緊固來實現(xiàn)配對。結(jié)果，安裝逆變器和配對高壓連接器的操作性得到了極大的改善。